一種基于MSP432的信號失真度測量裝置

盧緣欽，盧 奕，蔣 銘

（南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 江蘇 南京 210044）

0 引言

總諧波失真（THD）是信號評價分析的一個重要指標。信號失真主要是由于放大器和調(diào)理電路的非線性導(dǎo)致信號傳輸過程中產(chǎn)生各次諧波分量造成的。如何準確、方便地測量信號失真度一直是研究信號傳輸技術(shù)的一個熱點。失真度測試儀是一種用于測量信號失真度的儀器，在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢測中有著廣泛應(yīng)用[1-2]。無論采取何種方式測量信號失真度，信號的采樣都有頻率和幅度范圍的限制，因此在對信號進行調(diào)理時又會不可避免地產(chǎn)生各次諧波分量[3-4]，導(dǎo)致失真度測量的誤差。所以，如何盡可能地擴大信號檢測的頻率和幅度范圍[5-6]，又保證測量的精度[7]，是現(xiàn)在主要的研究方向。

針對上述問題，本文以MSP432E401Y為主控芯片，通過自主設(shè)計的硬件電路調(diào)理信號，配合軟件層面的自適應(yīng)檢測算法和優(yōu)化FFT算法，可實現(xiàn)對信號失真度的寬范圍、高精度的檢測，同時通過Wi-Fi模塊和串口屏實現(xiàn)了多樣的人機交互[8-9]。

1 主要硬件電路設(shè)計

1.1 AD603程控放大器

AD603程控放大器采用兩個AD603和一個OPA690對信號進行放大，放大倍數(shù)通過DA輸入電壓并經(jīng)LM358處理后輸入第二級AD603進行控制，通過程控算法設(shè)計，在輸入信號為30～600 mVpp時，可使程控放大器穩(wěn)定輸出1.2 Vpp的信號，見圖1。

1.2 DAC電路

DAC電路的級聯(lián)順序為TLC5615、SGM8292，通過TLC5615與單片機之間的SPI協(xié)議，傳輸一個10位的控制字，隨后通過TLC5615可以線性輸出一個相同精度的電壓，再經(jīng)過SGM8292處理后，輸出量程范圍之內(nèi)的直流電壓，從而可實現(xiàn)對程控放大器的DA控制。其具體的原理圖見圖2。

1.3 加法電路

運放正相輸入端接入放大后的信號，反向輸入端接入經(jīng)電阻分壓后的直流量。通過OPA842運放，對上級程控放大輸入的信號進行抬升，使信號電壓最小值也為正，可被單片機ADC正確采樣。芯片OPA842增益帶寬積為200 MHz，其性能完美適合對于小信號（30 mV）和高頻信號（≥500 KHz）的處理。加法電路模塊原理圖見圖3。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計分析

本文采用MSP432E401Y控制調(diào)理電路調(diào)節(jié)信號幅度，使其峰值相對穩(wěn)定。在信號處理上，單片機內(nèi)部首先進行一次FFT，計算輸入信號的基頻，然后通過自適應(yīng)算法[10-12]，找到較為適合此信號的采樣頻率。改變采樣頻率并采集數(shù)據(jù)后，在數(shù)據(jù)集上疊加窗口函數(shù)，重新計算一次FFT，在變換后的數(shù)據(jù)集中搜索基波與諧波的幅值，計算歸一化諧波以及THD，最后發(fā)送到手機APP和串口屏上顯示。其系統(tǒng)框圖見圖4。

3 裝置整體方案設(shè)計

本文設(shè)計的電路首先將信號輸入AD603與OPA842級聯(lián)的調(diào)理放大電路，進行程控放大并引入直流分量，然后接入單片機MSP432E401Y的ADC端口進行采樣以及數(shù)據(jù)處理，計算出諧波的歸一化幅值和失真度，最后將得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡聊徊⑼ㄟ^Wi-Fi模塊ESP32傳輸?shù)绞謾CAPP上進行顯示。其中程控放大器VGA603由MSP432E401Y控制TLC5615，電源由一個AC-DC電源降壓穩(wěn)壓模塊產(chǎn)生+5 V與-5 V穩(wěn)壓電源給電路供電。整體方案設(shè)計見圖5。

3.1 主控MCU

采用MSP432E401Y，該MCU芯片的ADC采樣頻率最高為2M，采樣精度為12位，且為32位的MCU。

3.2 信號調(diào)理電路

選擇讓主控模塊通過SPI通信協(xié)議控制DAC模塊TLC5615，進而控制程控放大器AD603，信號源經(jīng)過AD603放大后再輸入后級的加法電路OPA842，加法電路另一輸入端引入1.65 V的直流分量，通過單片機算法[13-14]計算得到調(diào)理后的信號幅值，并通過程控使輸出電壓的峰值穩(wěn)定在2 V左右。本方案可以盡可能地放大微小信號，提高單片機ADC采樣的精度，同時避免較大信號超出單片機ADC采樣量程，盡可能拓寬信號檢測的幅度范圍。

3.3 結(jié)果顯示方案的設(shè)計

本方案采用串口屏+Wi-Fi設(shè)計。Wi-Fi模塊采用ESP32，與藍牙模塊不同的是，Wi-Fi傳輸速率更快，同時安卓APP的開發(fā)也較為簡單。串口屏的開發(fā)難度較低，界面制作精美，所以顯示部分采用串口屏。

4 失真度測量原理

當放大器輸入為正弦信號時，放大器的非線性失真表現(xiàn)為輸出信號中出現(xiàn)諧波分量，即出現(xiàn)諧波失真，通常用“總諧波失真 （THD）”[15-16]定量分析放大器的非線性失真程度。

一般失真度測量裝置采用近似的方式，測量和分析輸入信號諧波成分時，限定只處理到5次諧波。定義

基波與諧波的歸一化幅值也做如下說明：當輸入信號的基波幅值為Um1，各次諧波幅值分別為Um2、Um3，基波與諧波的歸一化幅值為：1、（Um2/Um1）、（Um3/Um1）…。

5 實驗測試驗證

將上述電路連接好，MSP432燒入程序，完成的裝置見圖6。

下面利用RIGOL DS2102A 100M數(shù)字示波器、RIGOL DG4102 100 M 信號發(fā)生器和AC/DC穩(wěn)壓電源搭建測試環(huán)境，在此測試設(shè)備條件下，對本設(shè)計的裝置進行測量信號幅頻范圍、測量結(jié)果精度的實驗測試。

經(jīng)實際測試，在輸入測試信號滿足頻率范圍80 Hz～113 kHz，幅度范圍20～750 mV時，檢測結(jié)果誤差＜1%。設(shè)計的測量裝置部分測試結(jié)果見表1～表4。

表1 輸入基波為1 kHz峰值300 mV的信號

表2 輸入基波為1 kHz峰值600 mV的信號

表3 輸入基波為77.9 kHz峰值600 mV的信號

表4 輸入基波為100 kHz峰值300 mV的信號

串口顯示屏與手機APP顯示分別見圖7、圖8。

6 結(jié)語

針對目前信號失真度測量裝置如何盡可能擴大信號檢測的頻率和幅度范圍，又保證測量精度的問題，本文以MSP432E401Y為主控芯片，通過SPI通信協(xié)議控制DAC模塊TLC5615，進而控制程控放大器AD603對信號進行調(diào)理，配合自主開發(fā)的自適應(yīng)檢測算法和優(yōu)化FFT算法，可實現(xiàn)對信號失真度的寬范圍、高精度的檢測，同時通過Wi-Fi模塊和串口屏實現(xiàn)了多樣的人機交互。經(jīng)實際測試驗證，本裝置可測量信號頻率范圍80 Hz～113 kHz，幅度范圍20～750 mV，檢測結(jié)果誤差＜1%。